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光的過去現在與未來:光學簡史

光學簡史

(圖:維基)

早在我們祖先的祖先還只是個單細胞生物時,就開始利用光的能量生存。人類無時無刻不受光的影響,對光的本質感到好奇,許多的哲學家、科學家也提出了各種假設來描述光的性質,人類對光的了解足跡,引領著文明進程。

到了17世紀,人們對於光的反射、折射等幾何性質已經相當了解,發展出光學儀器。1609年,伽利略使用自己改良的望遠鏡第一次看向夜空,觀測到木星的四大衛星以及月亮的表面坑洞。當時,人們普遍相信光的傳播不需要時間,但 1676 年丹麥天文學家奧勒.羅默(Ole Romer)利用木星遠離地球及接近地球時,木衛一的公轉週期變化測出了光的概略速度,同時證實了光的速度是有限的。

  • 編按:1676 年 12 月 7 日奧勒.羅默(Ole Romer)測定光速的研究發表在《學者期刊》(Journal des sçavans),證實光速是有限的,而非無限。雖然羅默測量出的光速仍不是相當準確,但他是第一個想出如何測量光速的科學家。
source:google doodle

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望遠鏡打開人類的宇宙視野,同時代的虎克(Robert Hooke)則製作了顯微鏡,看到了「細胞」,為後來的微生物學奠下重要基礎;虎克的「死對頭」牛頓使用了稜鏡將光「分離」成不同顏色的色光,發展出光譜概念,光譜於19世紀開始應用在化學元素的發現以及天文學方面,至今仍是各項科學重要的分析工具,牛頓將自己對於光的研究著成了《光學》一書,其中的光微粒在17、18世紀成為了主流理論。在這之前,人們之所以沒有接受光的波動性概念,即是因為沒有確切地發現光的繞射及干涉性質,一直到托馬斯‧楊格(Thomas Young)的雙狹縫實驗才證實了光的波動性,同時測定了不同色光的波長,而光的干涉性質到了現在依然應用在許多高精度的測量上面。

在1865年,馬克士威(James Clerk Maxwell)發表《電磁場的動力學理論》,馬克士威方程組不只成功地用數學表達電磁的性質,更推導出電磁波的速度等同於光速。不過,此時出現了一個問題,所有波動的速度是相對於他們的介質而言,而光的介質為何?當時認為,光的介質是一種未被發現的物體稱為「乙太」,然而1887麥克生-莫雷實驗(Michelson-Morley Experiment)發現,即便地球本身正在高速運動,從任何方向測到的光速都是相等的,而這也是愛因斯坦相對論一項重要的基本條件。對於任何觀察者來說,所有的物理定律都是成立的,包含電磁波的速度,既然光速是固定的,意味著時間必須改變,這代表著要放棄「時間是絕對的」概念。

19世紀末,人們開始進行真空管與一連串的放射性實驗,因而發現了許多未知的輻射線,而這些輻射線對於20世紀的原子結構研究相當重要,特別是X射線。倫琴(Wilhelm Röntgen)實驗時無意中發現了X光,並發現它可穿透人體組織,留下骨頭的陰影圖像。但大家對X光的特性仍不甚了解,直至20世紀初,德國物理學家勞厄(Max von Laue)的晶格繞射實驗,確認它是一種波長極短的電磁波,其高穿透性現在仍廣泛用於醫療與探測功能。在勞厄之後,人們可以透過觀察X光通過物體時的繞射圖形推測結構,對生物學、化學等影響重大,例如1953年華生(James Dewey Watson)和克里克(Francis Harry Compton Crick)就是通過X射線繞射方法得到DNA分子的雙螺旋結構。

20世紀之前,人們已經普遍接受用波動的概念描述光的行為,但卻沒辦法解釋金屬被紫外線照射時放出電子的光電效應,一直到1905年愛因斯坦提出光的粒子性才解決這個問題,認為光的能量和它的頻率有關,這個突破性的想法不只解決了光電效應的難題,更催生出了量子理論。而光電效應也大量用於光電二極體、太陽能、雷射等科技上。

光與天文學幾乎密不可分,20世紀初期,人們依據光譜學觀測到了「螺旋星雲」的紅移現象,並且用都卜勒效應解釋這些「星雲」的運動,但當時並沒有辦法知道這些天體的距離,直到哈伯觀測到這些星系上的造父變星的光度變化,估測出了距離,發現距離我們越遠的星系,遠離我們的速度越快,進而推測出宇宙正在膨脹。而到了20世紀中期,藉由電波望遠鏡的發展,也發現了中子星、類星體、宇宙微波背景輻射以及星際間的有機分子,對於宇宙的歷史與結構才能有更深了解。

我們生活在一個離開不了光的世界。

關於作者

劉珈均

PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。